CN114295668A - 一种超高温热扩散率测量装置 - Google Patents

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周杨
杨新圆
唐亚曼
蔡静
董磊
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Abstract

本发明公开的一种超高温热扩散率测量装置,属于热学计量技术领域。本发明包括脉冲激励系统、高温热源系统、基于辐射能量快速测量系统和数据处理系统。高温热源系统通过在密封真空条件下对热解石墨加热体进行加热,为样品提供超高温环境,此外,脉冲激励系统配合均匀激光源并聚焦激光源,准直聚焦光束调整激光光斑大小,基于滤波片滤除激光器波段以防止透射激光击穿红外探测器,滤波片能够完全透过红外探测器波段以使红外探测器完全记录样品的温升信号;聚光片位于滤波片上方,使红外探测器以非接触方式快速记录样品的温升而不记录周围环境温度的变化,能够实现超高温条件下热扩散率准确测量,提升热扩散率测量温度至3000℃以上。

Description

一种超高温热扩散率测量装置
技术领域
本发明属于热学计量技术领域,涉及一种超高温材料热扩散率测量装置。
背景技术
材料的热扩散率是材料的热物性参数之一,是非稳态传热过程中决定热交换的主要指标,是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数。
高超音速飞行器、航空航天发动机以及未来飞行器等武器型号在发射、入轨、飞行等过程中,会经受不同程度的非稳态气动加热阶段,温度有时高达上千摄氏度,因此必须采取有效的热控技术进行隔热和防热,飞行器的热障材料和重要部件材料的热扩散率是飞行器的热控设计中重要的参数,要求热障材料热扩散率较低,可减缓气动加热过程中高温对飞行器主体材料和零部件的冲击,因此材料热扩散率的准确测量是飞行器热障材料等材料选取的重要依据。
导弹的温度会在较短的时间内升高至2860℃甚至更高,若突破热端材料性能极限,会产生微小裂纹,并发生危险。热扩散率的准确测量为材料的研制、性能预测及损伤分析提供了极有价值的资料。
未来军事装备的发展,新型材料的贡献率占50%~70%,新型材料的热物性参数是重要的评价依据,而这些参数中以热扩散率、比热、热导率、热膨胀率为典型代表。这些新型材料,如树脂基复合材料、金属基复合材料、金属间化合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及现今颠覆传统材料设计思路的超材料等,其工作温度高达3000℃,研究这些材料的热扩散率对其热学性能的优化、结构部件的设计、服役寿命的延长具有重要的指导意义。
发明内容
克服现有技术中热扩散率测量温度上限低的问题,本发主要明目的是提供一种超高温热扩散率测量装置,能够实现超高温条件下热扩散率准确测量,提升热扩散率测量温度上限。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种超高温热扩散率测量装置,包括脉冲激励系统、高温热源系统、基于辐射能量快速测量系统和数据处理系统;脉冲激励系统与高温热源系统通过石英窗口隔离;基于辐射能量快速响应系统与高温热源系统通过CaF窗口隔离。
所述脉冲激励系统,包括激光器、光纤、准直镜头、聚焦镜头和反射镜。激光器与聚焦镜头通过光纤进行连接,进一步均匀激光源并聚焦激光源;准直镜头固定安装在聚焦镜头前,进一步调整激光光斑大小;反射镜中心点与准直镜水平对齐并成45°倾斜,进一步将激光水平方向调整90°。
所述高温热源系统,包括真空泵、真空计、热解石墨加热体、隔热屏、惰性气体接口、水冷套和CaF窗口。为样品提供超高温环境。热解石墨加热体由热解石墨环研制而成,隔热屏套在热解石墨加热体外部,水冷套套在隔热屏外部,石英窗口和CaF窗口用于密封;真空泵置于水冷套外侧通过真空管路连接用于抽取空气,真空计用于测量热解石墨加热体内部压强,惰性气体接口用于向热解石墨加热体充入氩气,用于保护热解石墨加热体和样品。
所述基于辐射能量快速测量系统,用于高速记录样品背面的温升信号,包括滤波片、聚光片、红外探测器、前置放大器和高速数据采集卡。滤波片滤除激光器波段以防止透射激光击穿红外探测器,滤波片能够完全透过红外探测器波段以使红外探测器完全记录样品的温升信号;聚光片位于滤波片上方,使红外探测器只记录样品的温升而不记录周围环境温度的变化;温升信号通过红外探测器后经前置放大器以及高速数据采集卡。
所述数据处理系统采用计算机,通过线缆连接高速数据采集卡,用于实现温升信号的处理和热扩散率的计算及修正。
作为优选,所述反射镜,直径为20mm,中心波段为1064nm,独立放置,能够反射激光器95%的能量并透射红外测温仪全部测温波段;通过所述反射镜成45°角度,将激光水平方向调整为竖直方向,激励于样品的下表面。
作为优选,所述基于辐射能量快速测量系统以非接触方式快速记录样品背面的温升信号。所述的红外探测光学系统具有滤波片和聚光片。
作为优选,所述高温热源系统加热体为热解石墨加热体,其由40片相同大小的热解石墨环压制而成,上下两端通过螺纹连接电极。
本发明公开的一种超高温热扩散率测量装置的工作方法为,打开真空泵抽取真空,检测真空计的读数为负压时,打开惰性气体接口开关开始充入气体直达真空计的读数为微正压状态。对热解石墨加热体进行加热,所述红外辐射温度计对高温热源系统进行辐射控温,温度稳定后,开启激光器对样品进行脉冲激励,红外探测器采集温升信号经前置放大器放大后送入高速数据采集卡进行AD转换,最后进入数据处理系统进行处理和计算,得到超高温热扩散率,实现超高温条件下热扩散率准确测量,提升热扩散率测量温度上限。
有益效果:
1、本发明公开的一种超高温热扩散率测量装置,所述高温热源系统通过在密封真空条件下对热解石墨加热体进行加热,为样品提供达3000℃的超高温环境,此外,脉冲激励系统配合均匀激光源并聚焦激光源,准直聚焦光速进一步调整激光光斑大小,所述基于辐射能量快速测量系统滤波片滤除激光器波段以防止透射激光击穿红外探测器,滤波片能够完全透过红外探测器波段以使红外探测器完全记录样品的温升信号;聚光片位于滤波片上方,使红外探测器以非接触方式快速记录样品的温升而不记录周围环境温度的变化,能够实现超高温条件下热扩散率准确测量,提升热扩散率测量温度至3000℃的超高温环境。
2、本发明公开的一种超高温热扩散率测量装置,能够应用在高超音速飞行器、歼击机、战略轰炸机、航空航天发动机、返回舱、远程火箭和导弹等武器装备中热防护材料的设计、研制、性能评价及损伤分析。
附图说明
图1是本发明公开的一种超高温热扩散率测量装置的结构框图;
其中:1-激光器、2-光纤、3-准直镜头、4-聚焦镜头、5-红外辐射温度计、6-特制分束镜、7-光学窗口、8-真空泵、9-真空计、10-样品、11-热解石墨加热体、12-样品支架、13-隔热瓶、14-惰性气体入口、15-水冷套组件、16-CaF窗口、17-滤光片、18-聚光片、19-红外探测器、20-线缆、21-前置放大器、22-高速采集卡、23-计算机;
图2是本发明在3000℃温升信号实测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以下详细描述。
实施例1
如图1所示,本实施例公开的一种超高温热扩散率测量装置,包括脉冲激励系统、高温热源系统、基于辐射能量快速测量系统和计算机23,其中脉冲激励系统位于高温热源系统下方,脉冲激励系统与高温热源系统通过石英窗口7隔离,基于辐射能量测量系统位于高温热源系统上方,基于辐射能量快速响应系统与高温热源系统通过CaF窗口17隔离。基于辐射能量响应系统通过20与计算机23连接。
所述脉冲激励系统,包括激光器1、光纤2、准直镜头3、聚焦镜头4、反射镜6,五部分共同组成样品10的脉冲激励系统,用于激励样品10表面产生温升信号。激光器与聚焦镜头通过光纤2进行连接,进一步均匀激光源并聚焦激光源;聚焦镜头3前由螺纹固定准直镜头4,进一步调整激光光斑大小;反射镜6中心点与准直镜头4水平对齐并成45°倾斜,进一步将激光水平方向调整90°,反射镜6可以反射激光器95%的能量并可透射红外测温仪5全部测温波段。
所述高温热源系统包括真空泵8、真空计9、热解石墨加热体11、隔热屏13、惰性气体接口14、水冷套15,六部分共同组成样品10的加热系统,用于为样品10提供超高温环境。热解石墨加热体11由热解石墨环研制而成,隔热屏13套在热解石墨加热体11外部,水冷套15套在隔热屏13外部,真空泵8置于水冷套15外侧通过真空管路连接用于抽取空气,真空计9用于测量热解石墨加热体11内部压强,惰性气体接口14用于向热解石墨加热体14充入氩气,用于保护热解石墨加热体11和样品10。
所述基于辐射能量快速响应系统,包括滤波片17、聚光片18、红外探测器19、前置放大器21和高速数据采集卡22,用于高速记录样品10背面的温升信号。滤波片17用于滤除激光器1波段以防止透射激光击穿红外探测器19,滤波片17可完全透过红外探测器19波段以使红外探测器19完全记录样品的温升信号;聚光片18位于滤波片17上方,使红外探测器19只记录样品的温升而不记录周围环境温度的变化;温升信号通过红外探测器19后经前期放大电路。
本实施例公开的一种超高温热扩散率测量装置的工作方法为:上升热解石墨加热体11露出样品支架12,将样品10放入样品支架12中,下降热解石墨加热体11至初始位置,打开真空泵8抽取真空,检测真空计9的读数为负压时,打开惰性气体接口14开关开始充入气体直到真空计9的读数为微正压状态。对热解石墨加热体11进行加热,温度稳定后(<±1℃/5min),开启激光器1对样品10进行脉冲激励,红外探测器19采集温升信号经前置放大器I-V放大后送入高速数据采集卡22进行AD转换,最后进入计算机23进行处理和计算,实现超高温条件下热扩散率准确测量,提升热扩散率测量温度上限。
以各向同性石墨样品为例,将测量结果与国外同类仪器进行实验室间比对,比对En值均<1,说明本发明装置测量结果可靠。
温度℃ 参考值m<sup>2</sup>/s 本装置测量值m<sup>2</sup>/s En 测量结果是否合理
2000.5 0.1346 0.1327 0.850 合理
2500.8 0.1163 0.1148 0.523 合理
3000.2 / 0.0937 / /
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超高温热扩散率测量装置,其特征在于:包括脉冲激励系统、高温热源系统、基于辐射能量快速测量系统和数据处理系统;脉冲激励系统与高温热源系统通过石英窗口(7)隔离;基于辐射能量快速响应系统与高温热源系统通过CaF窗口(16)隔离;
所述脉冲激励系统,包括激光器(1)、光纤(2)、准直镜头(3)、聚焦镜头(4)和反射镜(6);激光器(1)与聚焦镜头(4)通过光纤(2)进行连接,进一步均匀激光源并聚焦激光源;准直镜头(3)固定安装在聚焦镜头(4)前,进一步调整激光光斑大小;反射镜(6)中心点与准直镜(3)水平对齐并成45°倾斜,进一步将激光水平方向调整90°;
所述高温热源系统,包括真空泵(8)、真空计(9)、热解石墨加热体(11)、隔热屏(13)、惰性气体接口(14)、水冷套(15)和CaF窗口(16);为样品(10)提供超高温环境;热解石墨加热体(11)由热解石墨环研制而成,隔热屏(13)套在热解石墨加热体(11)外部,水冷套(15)套在隔热屏(13)外部,石英窗口(7)和CaF窗口(16)用于密封;真空泵(8)置于水冷套(15)外侧通过真空管路连接用于抽取空气,真空计(9)用于测量热解石墨加热体(11)内部压强,惰性气体接口(14)用于向热解石墨加热体(11)充入氩气,用于保护热解石墨加热体(11)和样品(10);
所述基于辐射能量快速测量系统,用于高速记录样品(10)背面的温升信号,包括滤波片(17)、聚光片(18)、红外探测器(19)、前置放大器(21)和高速数据采集卡(22);滤波片(17)滤除激光器(1)波段以防止透射激光击穿红外探测器(19),滤波片(17)能够完全透过红外探测器(19)波段以使红外探测器(19)完全记录样品的温升信号;聚光片(18)位于滤波片(17)上方,使红外探测器(19)只记录样品的温升而不记录周围环境温度的变化;温升信号通过红外探测器(19)后经前置放大器(21)以及高速数据采集卡(22);
所述数据处理系统通过线缆(20)连接高速数据采集卡(22),用于实现温升信号的处理和热扩散率的计算及修正。
2.如权利要求1所述的一种超高温热扩散率测量装置,其特征在于:作为优选,所述反射镜(6),直径为20mm,中心波段为1064nm,独立放置,能够反射激光器95%的能量并透射红外测温仪5全部测温波段;通过所述反射镜(6)成45°角度,将激光水平方向调整为竖直方向,激励于样品的下表面。
3.如权利要求1所述的一种超高温热扩散率测量装置,其特征在于:所述基于辐射能量快速测量系统以非接触方式快速记录样品背面的温升信号;所述的红外探测光学系统具有滤波片和聚光片。
4.如权利要求1所述的一种超高温热扩散率测量装置,其特征在于:所述高温热源系统加热体为热解石墨加热体(11),其由40片相同大小的热解石墨环压制而成,上下两端通过螺纹连接电极。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种超高温热扩散率测量装置,其特征在于:工作方法为,打开真空泵(8)抽取真空,检测真空计(9)的读数为负压时,打开惰性气体接口开关开始充入气体直达真空计(9)的读数为微正压状态;对热解石墨加热体(11)进行加热,所述红外辐射温度计(5)对高温热源系统进行辐射控温,温度稳定后,开启激光器(1)对样品(10)进行脉冲激励,红外探测器(19)采集温升信号经前置放大器(21)放大后送入高速数据采集卡(22)进行AD转换,最后进入数据处理系统进行处理和计算,得到超高温热扩散率,实现超高温条件下热扩散率准确测量,提升热扩散率测量温度上限。
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